干细胞调控中去泛素化酶的作用探析
干细胞调控中去泛素化酶的作用探析
来源：中国细胞生物学学报 作者：吴颖,崔春萍,张令强
发布于：2021-01-15 共22235 字
摘 要： 胚胎干细胞(embryonic stem cells,ESCs)和诱导多能干细胞(induced pluripotent
stem cells,iPSCs)是能够进行自我更新和多系分化的细胞系,几乎所有的干细胞都具有这两大特
性。干细胞的这种特性受到各类因素的控制和调节,如基因表达调控层面的转录因子调
节、RNA 层面的可变剪接、蛋白质翻译后修饰以及蛋白质在机体内代谢调控等。其中,蛋白质
翻译后修饰(post translational modifications,PTMs)机制之一泛素蛋白酶体系统在调节干细胞自我
更新、增殖和分化中起着核心作用。该文综述了泛素动态变化在干细胞自我更新和分化调节中
的重要作用,泛素连接酶和去泛素化酶作为泛素蛋白酶体系统中研究最为深入和广泛的酶分子,
对于维持干细胞自我更新和分化的蛋白分子稳态有重要作用。该文将重点对去泛素化酶的作用
进行总结和归纳,以充分揭示泛素动态调控对干细胞自我更新和分化的贡献。
关键词： 干细胞; 自我更新和分化; 去泛素化酶;
Abstract： ESCs (embryonic stem cells) and iPSCs (induced pluripotent stem cells) are the
class of cell lines capable of self-renewal and multi-lineage differentiation.Almost all stem cells
possess these two characteristics.This characteristic of stem cells is controlled and regulated by many
factors,such as transcription factor regulation at the level of gene expression,mRNA alternative
splicing regulation,protein post-translational modification,etc.Given UPS (ubiquitin proteasome
system),which is a major machinery as a part of the protein post-translational modifications,has played
great roles in the regulation of protein dynamics.There is no doubt UPS plays a key role in regulating
the self-renewal,reproduction and differentiation of stem cells.Among the three kinds of enzymes
contained in the UPS,the E3 ligases and deubiquitinases are the most researched and highly
focused.Here this study concluded the important cellular roles of ubiquitin dynamics in the regulating
of stem cell characteristics,focusing on the summary and induction of the role of DUBs
(deubiquitinates) in the control of stem cell fate to fully uncover the contribution of ubiquitin
dynamics to stem cell self-renewal and differentiation.
Keyword： stem cell; self-renewal and differentiation; deubiquitinase;
1998 年,THOMOSON[1]成功从内细胞团和囊胚中分离出人胚胎干细胞(human embryonic stem
cells,hESCs)。由于这类细胞具有无限自我更新能力且能被诱导分化成内、中、外三个胚层细胞
进而成为成熟细胞的分化潜能而备受青睐。在体内,干细胞的这种分化潜能,一方面受到多能性
基因表达和多能性转录因子,如Sox2、含 POU 结构域的八聚体结合的转录因子 4(octamer-
binding transcription factor 4,Oct4)(也叫 Pou5f1)、Nanog、Kruppel 样因子 4(kruppel-like factor
4,Klf4)、Lin28 和cMyc 等的调控;另一方面通过迁移至特定环境,在微环境因子和细胞内的营养
因子共同刺激下,促进分化相关基因表达引起细胞分化,最终成为在个体中不同位置发挥作用的
细胞、组织、器官[2]。2006 年,YAMANAKA[3]将4个转录因子(Sox2、Oct4、Klf4 和cMyc)转
入成熟体细胞将后者诱导成类似胚胎干细胞功能的多能干细胞(induced pluripotent stem
cells,iPSCs),即既能自我更新又能各向分化的细胞类型,这进一步证明了转录因子对于细胞在多
能和分化状态之间转换的重要作用。鉴于干细胞在基础研究和临床治疗方面的巨大潜能,针对干
细胞的自我更新、生长分化的各类研究迅速增长。作为生命存在基础的中心法则决定了生命基
础信息的产生,而各类蛋白质作为中心法则的一般结果,其从生成到降解的各个过程都影响着细
胞生命活动,这体现在干细胞里,则对干细胞命运有着巨大影响[4]。基因翻译得来的蛋白,经翻译
后修饰,在不同的通路和活动中动态地调控着细胞内各个机器的正常运转,确保了干细胞对于环
境中的各类刺激能够快速响应[5],进而决定是增殖还是分化。泛素蛋白酶体系统(ubiquitin
proteasome system,UPS)作为生物体内主要的蛋白调节和代谢系统,在干细胞的生长发育中发挥
着重要作用,受到广泛关注[6]。
泛素分子是一个拥有76 个氨基酸的小蛋白质,能够以单体形式或多聚链形式共价修饰在蛋白底
物上。这种修饰造成的拓扑学的构像变化决定了底物后续命运,通常底物可能丧失其稳定性被蛋
白酶体机器降解、而或者底物与其他分子结合强弱被改变、又或者在细胞内的定位改变等。泛
素化修饰过程通常由3类酶执行:E1 泛素激活酶、E2 泛素聚合酶和 E3 泛素连接酶。对于将泛
素分子从底物上移去的过程也由一类酶负责执行,其被称为去泛素化酶(deubiquitinase,DUB)。作
为泛素化的逆反应过程,去泛素化酶在体内的作用通常有:(1) 帮助未成熟的泛素分子成熟,或从头
翻译产生泛素分子;(2) 通过其硫酯键中间体在细胞内进行小的亲核反应参与到蛋白的泛素化过
程;(3) 断裂细胞中的暂时无用多聚泛素链,形成泛素单体分子;(4) 解除底物上连接的泛素分子,去
除泛素化对底物的作用。因此,去泛素化酶也广泛地参与到蛋白酶体、溶酶体依赖的蛋白降解,
基因表达调控,细胞周期调控,细胞分裂时染色体分离,激酶活化,细胞凋亡,蛋白定位,DNA 损伤修
复,精子发生和中间信号调节分子的降解等[7]多种生命活动过程中。去泛素化酶参与的上述这
些事件, “ ”与干细胞的自我更新、干细胞 蛰伏 、细胞分化等过程也息息相关[6]。
—本文将从基因转录水平 去泛素化酶在染色质核小体上的修饰对于多能性基因或细胞分化相关
基因的抑制或激活, —翻译后修饰水平 去泛素化酶对于核心多能转录因子稳态调节,以及细胞水
—平泛素蛋白酶体系统对于干细胞细胞周期和细胞自噬的调控等方面概括去泛素化酶对于干细
胞命运调控的重要意义。
1、组蛋白去泛素化对干细胞基因转录的调节
基因组学和蛋白质组学技术的飞速发展为研究者们认识特异性表达在胚胎干细胞中或者同时存
在于其他干细胞种类中的去泛素化酶和 E3 连接酶的种类提供了研究手段和图谱[8]。干细胞若
维持干性则需要干细胞多能性因子的表达或发育相关基因的抑制,体现在染色质水平则是受到一
群蛋白分子的调控。基因组双链 DNA 作为遗传物质载体,在高等真核生物中不是裸露存在的,而
是与细胞核内的组蛋白(H1、H2A、H2B、H3、H4)形成致密的染色质。生物体在染色质这个结
构平台上完成与DNA 相关的生命活动。
染色质的三维结构空间和动态变化为某个基因的表达提供了时间和空间上的独特性。通常认
为,PcG(polycomb group)和TrxG(trithorax group)蛋白复合体分别参与了染色质的抑制和激活状
态[9]。这种抑制和激活作用保障了发育相关基因不会在特定时间和空间外表达。与甲基化、磷
酸化或乙酰化等小尺寸的修饰不同,泛素化修饰将一个或多个约8 kDa 的蛋白共价结合在组蛋白
上,引起组蛋白构像变化,影响了染色质的结构,进而导致基因的表达调控受到影响。干细胞基因
组中,组蛋白的泛素化和去泛素化修饰对干细胞染色质稳态和基因转录进行着重要调节[10]。组
蛋白的泛素化通常是单泛素化,泛素化位点具有物种保守性(如H2AK119、H2BK120)。组蛋白
H1 的泛素连接酶 E3 通常有环指蛋白 RNF8 和RNF168,主要参与 DNA 双链断裂信号调控,组蛋
白H3 的泛素化被认为在核小体的组装中起作用[11]。如图1所示,组蛋白 H2A 和H2B 的泛素化
和去泛素化在调节基因表达方面有重要意义[10]。
1.1、组蛋白 H2A 的去泛素化
胚胎细胞发生发展过程中,多梳组蛋白(polycomb group,PcG)亚基PRC1(polycomb repressive
complex 1,PRC1)和PRC2(polycomb repressive complex 2,PRC2)抑制着细胞生长过程中重要的转
录因子基因的表达,PRC2 一般会在这些基因上产生 H3K27me3 转录抑制标记,此标记不会自发引
起染色质的聚集,但是会使得其他促进染色质压缩的蛋白(如Eed、Cbx)停泊在这个标记上,而
Cbx 是PRC1 复合体的成分,可以看出,PRC1 的存在促进了 PRC2 对于染色质的压缩,促进异染色
质形成[12]。当然,这种异染色质化导致的基因抑制除表现为组蛋白甲基化外也同时存在其他类
型的修饰,如磷酸化、糖基化、乙酰化以及本文中描述的泛素化等[13]。PRC1 通过其亚基
RING1A/B(在鼠中)或RING2(在人中)对组蛋白 H2A 进行单泛素化,抑制干细胞分化基因的表达
[14]。RING1A 和RING1B 的缺失会导致泛素化的 H2A 大量降低,细胞丧失胚胎干细胞特性,形
态改变,趋向于分化。突变Ring1B(也叫 Rnf2)引起早期胚胎发育紊乱,但是通常与其泛素化酶活
性的异常无关,说明RING1A/B 在体内还存在与其功能相冗余的E3 连接酶,过表达 E3 连接酶(如
MDM2、TRIM37、DZIP3 等)也会引起 H2A 的单泛素化水平增加[15]。单泛素化的 H2A(表示为
ubH2A,后文同)阻碍转录激活标记 H3K4me2 和H3K4me3 的形成,而且会伴随着基因转录激活信
号H3K36me2 的去甲基化,从而抑制转录起始[16],而且在胚胎干细胞的分化中,多能特异性基因
相关组蛋白上两种状态的修饰(H3K4me3 和H3K27me3)变成单状态修饰(H3K27me3),多能特异
性基因受到表观遗传修饰而沉默[17]。因此,不难理解,H2A 的去泛素化酶可能与基因转录激活
相关。
图1去泛素化酶通过调控组蛋白的去泛素化调节细胞干性基因和分化基因表达
Fig.1 Schematic representation of the stem cell pluripotency associated gene or differentiated gene
expressionregulated by deubiquitinates
A:分化相关基因上H2B 的泛素化状态被去泛素化酶 USP44 移除,分化基因发生沉默;而多能性相
关基因组蛋白 H2A 上的泛素化被去泛素化酶 USP22 移除,细胞多能性基因表达,细胞的干性得到
维持,进行自我更新。B:分化相关基因上组蛋白 H2A 的泛素化状态被去泛素化酶 Mysm1 和
USP16 特异性移除,引起分化基因表达,细胞分化。
A:the ubiquitinated state of H2B on the typical differentiation-related genes were removed by the
deubiquitination enzyme USP44,and then the differentiation genes were silenced;whereas the
ubiquitinated histone H2A on the pluripotency-related genes were deubiquitinated by enzyme
USP22,then the genes expressed,these cells keep pluripotency and can be self-renewed.B:the
ubiquitinated state of histone H2A on the differentiation-related genes is specifically removed by the
deubiquitination enzymes Mysm1 and USP16,causing the expression of differentiation genes and cell
differentiation.However,the ubiquitinated histone H2B on the pluripotency-related genes could be
reversed by deubiquitinases,which cause pluripotency-related genes expression and then the cell
differentiation.
通过免疫共沉淀的方法可以筛选到很多去泛素化酶分子,尤其是在干性转录因子的启动子区,表
明去泛素化酶影响着干细胞中染色质的组装和基因表达[11]。对于这些去泛素化酶的研究有助
于揭示其在染色质组装和干细胞干性调节中的机制。能够对 ubH2A 进行去泛素化的 DUB 分子
摘要：
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干细胞调控中去泛素化酶的作用探析来源：中国细胞生物学学报作者：吴颖,崔春萍,张令强发布于：2021-01-15共22235字 摘 要：胚胎干细胞(embryonicstemcells,ESCs)和诱导多能干细胞(inducedpluripotentstemcells,iPSCs)是能够进行自我更新和多系分化的细胞系,几乎所有的干细胞都具有这两大特性。干细胞的这种特性受到各类因素的控制和调节,如基因表达调控层面的转录因子调节、RNA层面的可变剪接、蛋白质翻译后修饰以及蛋白质在机体内代谢调控等。其中,蛋白质翻译后修饰(posttranslationalmodifications,PTMs)...
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作者：闻远设计
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时间：2024-07-13
